Tunable N2 Fixation Enabled by Ferroelectric Switching in Doped Graphene/In2Se3 Dual-Atom Catalysts

材料科学 石墨烯 铁电性 兴奋剂 Atom(片上系统) 对偶(语法数字) 催化作用 光电子学 纳米技术 结晶学 电介质 有机化学 艺术 化学 文学类 计算机科学 嵌入式系统
作者
Mohammad Amin Akhound,Maryam Soleimani,Mahdi Pourfath
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c21092
摘要

The electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) provides a sustainable alternative to ammonia synthesis. However, the development of catalysts with high activity and selectivity under ambient conditions remains a significant challenge. In this work, we propose a class of dual-atom catalysts (DACs), consisting of two metal atoms embedded in nitrogen-doped porous graphene (M2NPG) supported on a ferroelectric α-In2Se3 monolayer. Using density functional theory (DFT) calculations, we explore the effect of ferroelectric polarization switching on the structural stability, catalytic performance, and reaction mechanisms of these DACs. By computationally screening 27 metal atoms as active sites, we identify four promising candidates (V, Co, Ru, and Ta) with V2NPG@In2Se3 standing out due to its exceptional properties. The precise control of NRR pathways, along with tunable limiting potentials and selective product formation, can be achieved through the polarization switching of the α-In2Se3 monolayer. The combination of low limiting potential, abundant active sites, tunable catalytic behavior, and high selectivity against the hydrogen evolution reaction (HER) highlights the potential of V2NPG@In2Se3 as a promising alternative to traditional single-atom catalysts. This work demonstrates a versatile strategy for integrating DACs with ferroelectric materials, offering valuable insights into designing next-generation catalysts for NRR and beyond.
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